复合纱线结构对单纱强力利用率的影响与分析

黄 伟， 汪 军,2

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620)

复合纱线结构对单纱强力利用率的影响与分析

黄 伟1， 汪 军1,2

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620)

纱线的强力利用率是关乎原材料性能是否得到充分利用的指标之一，为提高纱线强力在不改变原料的前提下，通过纺纱方式调整成纱的结构来提高其强力。为此，从理论公式预测角度和实验论证角度分别对单纱结构、股纱结构和包缠结构纱线的强力利用率进行了研究，用理论模型描绘出3种结构纱线在不同捻系数下的单纱强力利用系数，再通过实验在环锭细纱机上加捻长丝单纱和并捻长丝股纱，在花式捻线机上纺制包缠结构纱线，考虑了因加捻引起的纱线线密度和捻系数的增长因素，分析对比了3种结构纱线的单纱强度利用系数，结果与理论预测大致相似，因此，所推导的力学模型可以用来定量确定强度利用系数变化趋势，在纺纱之前可用来寻找较优的加捻工艺参数，对生产实践起到一定的指导作用。

强力利用率； 强度利用系数； 模型； 纱线结构； 单纱； 股纱； 包缠纱

纱线的强力性能主要由其组成的纤维(单纱)性能和纱线结构决定。在纺制纱线时，纤维(单纱)性能已经确定，为了在不改变原料的前提下解决最终强力利用率的问题，可通过改变纺纱方式改善纱线结构，有文献报道集聚纺一般能使低支纱强力提高约10%，高支纱提高约18%[1-2]。强力利用率提高的原因是改善或改变了成纱结构，使其条干更好，毛羽更少，受力更均匀。目前的文献报道大多处于定性描述这类问题，只能依靠实验来探寻生产工艺参数的变化对最终强力利用率的影响。本文为了确定不同结构的纱线对单纱强力利用率的影响，首先推导了单纱结构、股纱结构和包缠结构纱线的力学模型，并进行了验证，然后根据理论和实验所得的强力利用值，定量确定了加捻捻系数与单纱强力利用率的关系，以此来解释不同结构的纱线中强力利用率的变化情况，而相关研究国内外未见报道。

1 强力利用率

1.1 强力利用率的介绍

强力利用率，也可称为强力利用系数，在单纱中表示为纱线强度与纤维强度的比值(一般为0.7～0.9)，在复合纱中表示为纱线强度与单纱强度的比值(适当工艺范围内通常大于1)，在织物中表示为条样强力折算成的单纱强力对实际单纱强力的比值(大于1.1～1.2)[3]，如表1所示。纤维强力利用系数小于1的主要原因为、拉伸时纤维之间存在滑移，导致纤维未完全受力而断裂[4]；复合纱中强力利用率通常高于1的主要原因为、纱中两股或多股单纱之间由于互相紧密交缠，足够的抱合力大大减少了滑移现象，综合因加捻引起的纱轴倾斜使轴向分力减小的效应，总体上强力利用率在临界捻系数前呈增长趋势[5]；织物中受纱线线密度、强度、织物经纬密度、织物组织结构的综合影响，大多数情况下大于1。

表1 单纱、复合纱、织物中的强力利用率Tab.1 Material Properties

1.2 影响强力利用率的因素

当原料的性能、纺纱工艺(混棉、清梳、精梳、并条、粗纱)、纺纱温湿度控制一致时，影响强力利用率的主要因素还有纺纱方式、捻线工艺、捻度。1.2.1 纺纱方式

同样的原料，使用不同的纺纱方式纺制而成的纱线，因其不同的纱线结构而使其最终的物理指标不同，本文特指强力利用率存在的差别。一般来说，纱线中单纤(单纱)的取向度越好，结构越紧密，强力利用率就越高，纱线的强力也就更高。

普通环锭纺是应用最为广泛纺纱方式，纤维大多呈现理想的螺旋轨迹，纱线结构紧密；集聚纺是对环锭细纱机改造后的新型纺纱技术，增加了纤维的凝聚作用，使成纱更加紧密，毛羽更少，强力更高；转杯纺，喷气纺和涡流纺属新型纺纱范畴，虽然纺纱效率高，但纤维未充分伸直，取向度低，且结构较紊乱，故强力利用率较环锭纺低[6]。

1.2.2 捻线工艺

当单纱用途不能满足产品或织物要求时，可以使用捻线工艺对单纱的内外层应力进行平衡。单纱并捻后的复合纱线，性能变化较大，提高了纱线的品质，主要表现为：条干均匀度得到改善，强力提高，伸长率增大，耐磨性增加和手感得到改善[7]。

1.2.3 捻度(捻系数)

加捻使纤维须条的不同截面发生相对回转，产生捻回，捻度即为单位长度内2个截面的相对回转数。在纺织领域，使用捻系数可以用来比较不同线密度纱线的加捻程度。纺纱捻度的不同，使最终的纱线强度各异。一般情况下，纱线捻度从零捻开始，强力呈现先增长后减小的趋势，强力利用率也随之变化。

2 力学模型

在遵循经典力学的基础上，根据单纱、股纱和包缠纱的轴向和径向不同的几何形态，分别建立了成纱强力与捻回角(捻系数)的理论公式。假设条件为：单纤和纱线为圆形截面，加捻前后外形保持不变；沿其长度方向具有相同的性能和尺寸；单纤、股纱中的单纱和包缠纱的包纱以螺旋结构分布在纱体中；单纤和单纱的拉伸行为假定为完全弹性；加捻产生的纤维转移现象不考虑；拉伸过程中断裂不同时性不考虑。本文对单纱结构、股纱结构和包缠结构纱线的强力利用率进行了研究，3种结构纱线的理论简化模型如图1所示。

图1 单纱、股纱、包缠纱的简化几何模型Fig.1 Simplified geometric models. (a) Single yarn; (b) Plied yarn; (c) Wrapped yarn

2.1 单纱的加捻模型

给出单纱中单纤的分布配置，根据内部结构的变化推出结构参数在加载应变前后的关系，根据单纤的位置、预应变和伸长推导得到每根单纤的张力，最后单纤张力的余弦和即为单纱张力。

2.1.1 单纤的分布配置

纱中单纤的分布遵循开启式的堆砌形式[8]，则可以确定每层的最大单纤根数nk和位置分布(k为单纤的纤维层数)。在此无外应力的加捻长丝模型中，Zurek[9]认为由于加捻作用使纱线内部存在受压区域、中间层和受拉区域，即在拉伸变形之前，单纤根据其所处的不同位置会具有初始的预应变，受压区域应变为负，中间层为零，受拉区域应变为正，且每层螺旋角之间的关系也可确定，见式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：α为中间层单纤的螺旋角；β为最外层的螺旋角；θk为某一层的螺旋角；εk表示该层的预应变。

2.1.2 结构参数之间的关系

模型纱体中单纤的路径均为同轴螺旋线，根据其所处的位置和螺距h可以确定其螺旋角大小，如式(3)如示，rk为某一单纤距轴心的距离。

(3)

2.1.3 单纱张力的计算

模型根据单纤在纱体中所处的不同位置可以得到纱线应变与纤维应变εf的关系[10]，其中泊松比的关系式根据其定义及结合以上结构参数关系所得，单纱张力计算如式(4)所示。

(4)

式中：E为单纤的拉伸弹性模量；r0为单纤半径；k为单纤所处的层数；m为最大层数。

2.2 股纱的加捻模型

股纱的加捻模型考虑了双股纱的强力组成主要为单纱性能和因加捻弯曲而产生的抱合力，根据连续介质力学理论和以上的假设，确定其基本力学关系；对短片段上的力进行分解，分析其对纱线伸长的关系,推导股纱拉伸模量与单纱性质和倾斜角的关系；由单纱对纱轴的径向压力计算两股单纱之间摩擦阻力；最终模型的表达式如式(5)如示。

(5)

式中：rf为单纱半径；φ为单纱对纱轴的倾斜角；Y为单纱拉伸模量；K为单纱剪切模量；λ为抱合系数[11]。

2.3 包缠纱的加捻模型

包缠纱的加捻模型类似于上一节的股纱模型，不同的是由于包缠纱的纱线结构与双股纱存在显著的差异，外包纱与芯纱在外力作用下承受的应力是不同的，但在复合纱轴向产生的应变是相同的，可以根据这一联系用类似的方法推导出拉伸模量与单纱性质和倾斜角的关系，并最终得出包缠结构纱线的理论强力计算模型。

2.3.1 包缠结构应变关系

在外力Ty作用下，芯纱承受的轴向载荷为T1，外包纱承受的轴向载荷为T2。载荷T1直接垂直作用于纱线截面，产生的应变εy1即为纱线应变；载荷T2沿单纱的轴向分力和径向分力共同作用产生纱线应变εy2，则关系见式(6)、(7)。其中，φ为包纱对复合纱纱轴的倾斜角。

(6)

(7)

因为这2个应变对纱线应变的贡献是相等的，则可得两载荷之间的关系，见式(8)。根据连续介质力学理论，外力等于截面积、拉伸模量和拉伸应变的乘积，关系见式(9)。

(8)

(9)

联立公式(8)、(9)，可得包缠纱拉伸模量Ey与单纱性质和倾斜角的关系式，如式(10)。

(10)

2.3.2 包缠纱张力的计算

根据因加捻包纱产生的向心压力计算包纱与芯纱之间的摩擦阻力f，方法如股纱的计算方式，最终包缠纱的张力计算为T1、T2和f的合力F3，如式(11)、(12)

(11)

(12)

2.4 强力利用率的理论曲线与分析

将已知的参数代入式(4)、(5)和(12)中，可求得在某一拉伸应变下不同加捻程度纱线的张力值Fi(i=1,2,3)，则3种结构的加捻纱线的强力利用率理论值ηi(i=1,2,3)可由下式计算所得：

(13)

式中F0为成纱在零捻水平下的强力值(已知)。计算过程与作图均在MatLab软件下进行(捻系数范围为0～805，纱线应变εy均为0.5，抱合系数λ取0.5，股纱和包缠纱情况下，单纱拉伸剪切模量存在Y=3K的关系，其中Y=1 506.8 MPa)，结果如图2所示。

图2 单纱、双股纱、包缠纱的强力利用率与捻系数的关系Fig.2 Relationship between yarn strength efficiency and twist factor

理论预测曲线显示，在拉伸应变为0.5纱线无提前断裂的状态下，单纱强力利用率(非纤维强力利用率)从零捻水平开始就逐渐减小，在捻系数为805时，η1仅为0.7743；双股纱在捻系数约273时，η2最高达到1.073 0；包缠纱在捻系数约247时，η3可达到1.139 0。可见，当双股纱在低、中捻系数范围内，包缠纱的强力利用率要高于同规格的双股纱，在中、高捻系数下，则要低于双股纱。可见，双股纱、包缠纱对于能提升纱线品质的实践描述是具有理论依据的，且包缠纱达到最大强力利用率需要的捻系数水平要早于同规格下的双股纱，因此，本节所建立的理论模型能够定量描绘出3种结构纱线在不同捻系数下的单纱强力利用率。

3 实验部分

采用33.043 tex、576根的全拉伸涤纶长丝(断裂强力1129.2 cN，断裂伸长率31.299%)分别纺制3种具有不同纱线结构的加捻纱线，捻系数规格自小到大，总计42个样本，规避了因原料不同对最终结果产生的影响。单纱在环锭细纱机上加捻和并捻成长丝股纱，在花式捻线机上纺制包缠结构纱线，对纱线进行强力拉伸测试，夹持长度为250 mm，拉伸速度为250 mm/min，预加张力0.05 cN/tex，每个样本测试20次，取其平均的最大强力值和伸长率，其结果如图3、4所示(变异系数均在5%以下)。

图3 单纱、双股纱和包缠纱实验所得断裂强力Fig.3 Breaking strength tested in experiments

图4 单纱、双股纱和包缠纱实验所得断裂伸长率Fig.4 Breaking elongation tested in experiments

4 分析与讨论

4.1 实验结果的分析

图3、4描述的是单纱、双股纱和包缠纱在强力拉伸仪上测试后的平均结果，变异系数均小于5%。由于其断裂伸长率不一，故无法与理论预测曲线进行对比。从图中数据变化趋势可看出，随着捻系数的增加，单纱强力起初略有增大，到中捻水平后开始逐渐减小，总体变化范围不大，而断裂伸长率则缓慢增大；双股纱强力随着捻系数增加，强力则逐渐增大，到中高捻时变化基本保持不变，而断裂伸长率却在一直增大中；包缠纱强力在低中捻水平下断裂强力与伸长率也处于不断增大的趋势中，到中高捻后强力与伸长率均呈现较大的下滑趋势。分析所得，单纱和中高捻的双股纱断裂强力变化不大均有赖于其断裂伸长率不断增大的结果；包缠纱断裂强力在中低捻水平下全面超过双股纱也有赖于其断裂伸长率均高于双股纱一定比例；包缠纱在中高捻后断裂强力与伸长率双双下滑，是由于包缠纱内芯纱和包纱由于加捻程度引起的内外受力不匀过大导致纱线提前断裂解体，强力未得到充分利用。

4.2 加捻对纱线线密度的影响

纱线强度为强力与线密度的比值，相对于强力值，能体现不同支数成纱之间抵抗拉伸力的能力。加捻之后的纱线均存在不同程度的捻缩现象，直接反映在成纱的线密度上，随着加捻程度的增加，线密度均有一定程度的增大。实验中纺制不同捻系数的成纱，其线密度均不相同，捻系数也会受其影响，所计算的强力利用效率也不能很好体现真实情况，故而先对42管成纱在缕纱测长仪测量称量，取其平均之后获得3种结构纱线的线密度Nt变化情况，如图5所示。

图5 单纱、双股纱和包缠纱实验所得线密度Fig.5 Linear density tested in experiments

由图5可知，3种结构的纱线线密度随着捻系数增大均有不同程度的增长，且包缠纱线密度的增长程度大于双股纱和单纱，其对应的捻系数水平也有不同程度的增大。较之零捻水平的线密度，单纱、双股纱和包缠纱的线密度最大增加比例分别为30.1%、20.5%和32.3%，捻系数最大增加比例为14.1%、9.8%和15.0%，由于其增加程度较大，必须考虑其变化情况，故选择强度利用进行计算。

4.3 强度利用率

(14)

式中：Nt0在单纱情况下为33.043 tex；在股纱和包缠纱情况下为66.086 tex。分别计算3种结构成纱在不同捻度水平下实验强度利用率和50%拉伸伸长率下理论的强度利用率，抱合系数和单纱的拉伸剪切模量与小节2.4中一致，各管成纱的捻系数由实测的线密度与捻度计算而得，结果如表2所示。

从表中可看出，各成纱的强度利用系数较理论强力利用系数在数值上有一定程度的削减，这是由于纱线随着捻系数增加会使线密度值增大的缘故。单纱的强度利用系数递减趋势与理论估计一致，实验与理论之间除了在最低捻和最高捻下差距较大外，其他部分误差不大；双股纱和包缠纱最大强度利用系数(实验)下的捻系数与理论强力利用系数(见图2)下的捻系数也比较接近，双股纱理论与实验最大利用系数下捻系数分别为273和292，包缠纱理论与实验最大利用系数下捻系数分别为247和294；实验与理论计算下的双股纱和包缠纱强度利用系数误差均不大，在高捻情况下误差较大，双股纱的理论强度利用系数偏高，包缠纱则偏低，这与股纱结构有利于应力均匀分配和包缠结构内外应力失衡相关，本文模型目前还未将这种情况考虑进来，故在高捻度下会存在较大的误差，也需要进一步地提高测试的准确度和模型的精确性。因此，总体上理论模型能较好地反映3种不同结构纱线加捻情况下强度利用系数的变化，能用来预测纺纱中最大强度利用率可能发生的捻系数区间，为选择较优的加捻工艺参数提供指导。如果在模型中能将单纱模量、结构参数与伸长率的关系和高捻度下纱线内外应力失衡的情况考虑在内，能使预测结果更加准确。

表2 单纱、双股纱和包缠纱的强度利用率Tab.2 Tenacity efficiency among structural yarns

5 结 论

1)根据单纱、股纱和包缠纱的几何形态，分别建立了关于成纱强力与捻回角(捻系数)的理论公式，能用来计算成纱的强力利用系数。

2)考虑到因加捻引起的纱线线密度和捻系数的增长情况，对比了3种结构纱线的单纱强度利用系数，结果与理论预测大致相似，使用该模型能用来定量确定强度利用率的变化趋势。

3)模型可应用在纺纱之前，用来寻找较优的加捻工艺参数，对生产实践起到一定的指导作用。

FZXB

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Influence of composite yarn′s structures on yarn strength efficiency

HUANG Wei1， WANG Jun1,2

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Yarn strength efficiency is one of the indexes whether the performance of raw materials is fully utilized. On the premise of unchanging the material, adapting a new spinning means to adjust yarn structure is one of the ways to improve its strength efficiency. This paper studied the strength efficiencies of single yarn, plied yarn and wrapped yarn. The theoretical model can depict the single-yarn strength efficiency coefficients of the three yarns under different twist factors. The single yarn and plied yarn are spun on ring spinning frame, and the wrapped yarn is spun on fancy twisting frame. Considering the growth of yarn linear density and twist factor caused by twisting, the single-yarn strength coefficients are used for comparison. The results are similar to the theoretical prediction. Therefore, the model can be used to quantitatively determine the change trends of strength efficiency coefficients, which can be applied to find the optimum twisting parameter before spinning, and plays a guiding role in production practices.

strength efficiency; strength efficiency coefficient; model; yarn structure; single yarn; plied yarn; wrapped yarn

10.13475/j.fzxb.20161003607

2016-10-14

2016-11-03

中央高校基本科研业务费专项资金项目(113027A)

黄伟(1989—)，男，博士生。主要研究方向为纤维与纱线结构的建模与应用。汪军，通信作者，junwang@dhu.edu.cn。

TS 101.2

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